UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL ``FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y PESQUERA

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL ``FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y PESQUERA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA. PRÁCTICA CICLO DE POTENCIA DE VAPOR (RANKINE) Profeore de laboratorio: Coordinador: Ing. Elier Garcia Ing. Gely Guanipa. Ing. Jomery Sáncez Ing. Joan Rodriguez. Ing. Gregório Bermúdez. Última modificación: Junio de 2011

2 INTRODUCCIÓN La práctica conite en el análii del ciclo Rankine como modelo para la planta térmica de generación de potencia a vapor. El objetivo de la centrale térmica de vapor e producir una cantidad coniderable de potencial eléctrico. Lo elemento principale de la centrale térmica de vapor on: Caldera, Turbina, condenador y bomba. Se pueden utilizar como fluido de trabajo varia utancia, la que má e utiliza con mayor frecuencia por u condicione e el agua, dado que reúne cierta caracterítica como óptima traferencia de calor, el manejo de baja preione, coto, diponibilidad y alta condicione de vaporización. El vapor e obtenido producto de agregarle calor al fluido de trabajo, cuya condicione ocurre en el quemador. Ete calor e obtiene una vez que e uminitrado el combutible en la fae líquida a la caldera y ale en la fae de vapor a temperatura y preione elevada. El calor uminitrado para realizar eta tranformación e conoce como calor de vaporización. Para obtener el calor e utilizan diferente tipo de combutible lo cuale pueden encontrare en la fae ólida, líquida o gaeoa. Lo generadore de vapor propiamente dico etán contituido por una caldera y el ogar, puede ademá incluir otro elemento de aborción de calor como un obrecalentador, economizador o un precalentador de aire, igualmente puede incluir equipo auxiliare o de intrumentación y control para ayudar al correcto funcionamiento de la unidad. La caldera contituye un recipiente cerrado que genera vapor de agua a preione uperiore a la atmoférica, aborbiendo el calor que dearrolla la combutión en el ogar. La temperatura del líquido aumenta ata alcanzar la de vaporización y e mantiene contante, el líquido e convierte en vapor, una vez alcanzada la temperatura de ebullición a la preión de operación continua el uminitro de calor y e inicia la vaporización in variación de temperatura. Mientra exita líquido por evaporar, la mezcla de vapor y líquido e llama vapor úmedo, i el calor uminitrado e tal que la temperatura del vapor e la temperatura de vaporización e denomina vapor aturado eco. El fluido que ale de la caldera e llevado a la turbina de vapor, donde tranformar la energía de flujo de vapor en energía mecánica, a travé de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete (órgano principal de la turbina), que cuenta con álabe de forma particular para poder realizar el intercambio energético. Eta energía e aprovecada por un generador eléctrico que eta acoplado a la turbina. Luego el fluido e condenado alternadamente, y ometido a la vez en la Torre de enfriamiento, que permite la diminución de temperatura del agua, donde el fluido e tralada nuevamente al itema de tratamiento del agua y acer la recirculación del mimo en lo elemento principale.

3 Ciclo Rankine Ideal: El funcionamiento de una planta de vapor etá baado en el ciclo termodinámico del Ciclo Rankine (ver figura 1) compueto por lo proceo: Proceo 1-2: Compreión Ioentrópica en una bomba. Proceo 2-3: Adición de Calor a Preión contante en la caldera. Proceo 3-4: Expanión Ioentrópica en la Turbina. Proceo 4-1: Recazo de calor a Preión contante en el condenador. Figura 1. Equema báico del ciclo Rankine y u diagrama T-. La ecuacione caracterítica de cada dipoitivo en el ciclo e deducen a partir de la leye fundamentale de la termodinámica para un volumen de control a Régimen Permanente Flujo Etable (RPFE): 1.- Primera ley de la termodinámica: Conervación de la energía en un itema: V 2 2 e Q W m e ( e gze ) m ( gz ) 2 V 2 de dt Sit Conervación de la maa en un itema: m e m dm dt Sit 2.- Segunda Ley de la Termodinámica: Incremento de la entropía: Q T m e e m ds dt Sit

4 Ciclo Rankine Real: Lo ciclo Rankine idealizado tienen eficiencia próxima a la de Carnot. Para la máquina reale que operan egún un ciclo Rankine, eto no ucede dado que exiten muca irreveribilidade, principalmente en la turbina y en la bomba. También debe notare que e etudia la eficiencia del ciclo; con frecuencia, la eficiencia de la planta de potencia e define en término del trabajo (o energía eléctrica) entregada por la planta en comparación con la energía obtenida del combutible que entra a la caldera y no de la energía agregada al fluido de trabajo. Eta eficiencia global de la planta recibe el nombre de gato epecífico de calor de la planta y e exprea frecuentemente en unidade mezclada de Btu de energía demandada por kilowatt-ora de electricidad entregada. Como la eficiencia de la caldera puede er tan baja como un 60%, la eficiencia global de la planta reulta coniderablemente má baja que la eficiencia del ciclo. Entre la principale caua de irreveribilidade etán la fricción del fluido y la pérdida de calor acia lo alrededore, que ocaionan: a) Pérdida por Fricción: La fricción del fluido ocaiona caída de preión en la caldera, el condenador y la tubería entre lo divero componente. Para compenar la caída en la preione e requiere preione má alta en el bombeo de agua. b) Pérdida de calor: Pérdida de calor del vapor por lo alrededore cuando éte circula por vario componente. Irreveribilidade en bomba y turbina: Exiten variacione de entropía entre la entrada y alida. Ocaionando un aumento o diminución entropía. Figura 2. Divergencia entre un ciclo idealizado y uno real. Tratamiento para la Ineficiencia en turbina y bomba. El efecto de la irreveribilidade de la turbina y la bomba obre el ciclo e analiza mediante el uo de la eficiencia adiabática de la bomba y de la turbina. Eta e definen como: Turbina: La eficiencia adiabática de una turbina Turbina e la comparación entre la entrega de trabajo real y el trabajo producido por un proceo ientrópico. La entrada a la turbina correponde a un etado epecífico y la alida debe er a una preión dada.

5 Turbina w w a, real, ideal ent ent al al Bomba: En una bomba también e ace la comparación entre el trabajo real y el ientrópico. El funcionamiento deeado en una bomba conite en producir una cierta preión a la alida con una entrada mínima de trabajo. Suponiendo que el trabajo real e adiabático, e oberva que la irreveribilidade requieren má trabajo. La eficiencia adiabática de una bomba Bomba e: Bomba w w, ideal a, real al al ent ent NOTA: El ubíndice S repreenta el proceo Ioentrópico. SISTEMAS PRESENTES EN LA PLANTA DE VAPOR DE LA UNEFM SISTEMA DE TRATAMIENTO DEL AGUA: La dureza del agua varía coniderablemente de un lugar a otro. Por lo que e imperante la remoción de la dureza con el objetivo de prevenir la corroión, prevenir incrutacione, arratre y de eta forma producir en la caldera vapor de alta calidad. A travé de régimen de purga, recuperación de condenado, decalcificadore, demineralizadore, reguladore de PH, coagulante. Tanque Potabilizadore: Reervorio de agua que permiten potabilizar el agua de proceo. Tanque de Zeolita: La Zeolita e un Silicato de Sodio y Aluminio, la cual e encarga de eliminar el Calcio y el Magneio preente en el agua por medio de un filtro. Tanque de Poliamida: la poliamida e una reina de intercambio iónico que e obtiene por reacción de condenación de un polímero, ete polímero actúa como un ailante evitando que lo protone del agua e adieran a lo electrone preente en la uperficie de la tubería. Bomba doificadora de Poliamida: e encarga de pulverizar la poliamida. Deaireador: Se encarga de eliminar lo gae corroivo (oxigeno, dióxido de carbono, entre otro.) a travé del calentamiento del agua. SISTEMAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN: La principale fuente de abatecimiento de agua on la agua de afluente naturale, reervorio o agua de deeco, en el cao del agua de alimentación para la caldera e utilizan agua tratada ya que el proceo e má indutrializado. Tanque de alimentación: Se encarga de almacenar el agua tratada que erá uminitrada a la caldera. Bomba de alimentación: Se encarga de uccionar el agua tratada del tanque de alimentación y uminitrarla a la caldera. SISTEMA DE COMBUSTIBLE: Su función e uminitrar el combutible al quemador que a u vez producirá la flama en la caldera que tranformará el agua tratada en vapor. Ademá de utilizar combutible líquido alguno equipo también utilizan ga natural o mezcla de gae como en el cao del flexiga en la emprea petrolera.

6 Tanque de combutible: e un recipiente cilíndrico donde e almacena el combutible que erá uminitrado por la bomba al quemador. Bomba de combutible: Se encarga de generar un cabezal de preión para bombear el combutible dede el tanque de combutible ata el quemador. Quemador (Gaóleo doble flama): permiten realizar la mezcla para la reacción de combutión entre el combutible y el carburante (aire-combutible) gracia a una regulación precia de la proporcione de ambo, para luego introducir la flama al ogar de la caldera. SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR: Su función e la de realizar el cambio de fae a una preión y temperatura contante, calentando o irviendo el agua ata evaporar el fluido. Caldera Acuotubular (Generador tipo 6MT-45, Preión máxima de trabajo 12 kgf/cm2, vapor 450 kg/r, Potencia Kcal/r) Contenedor metálico que irve para calentar o ervir ata evaporar un fluido, obteniendo finalmente vapor de agua. Tambor de vapor: Contenedor donde e almacena el vapor para luego er uminitrado al obrecalentador. Sobrecalentador: E un dipoitivo intercambiador de calor en donde el calor tranferido al vapor incrementa u temperatura, reduciendo la mezcla de vapor de agua en la última etapa de la turbina incrementando aí u eficiencia interna. Cimenea: e utiliza para producir cierto tiro o circulación de lo gae caliente a la entrada de lo tubo de la caldera. El tiro e la forma como circulan lo gae caliente dentro de la caldera. Caldera: Área donde e trafiera calor al fluido de trabajo para tranformarlo en vapor. Sitema Turbogenerador: Su función e tranformar la energía térmica contenida en el vapor en energía mecánica de movimiento, ya ea para generar electricidad, mover bomba, compreore, entre otro. Turbina con decarga atmoférica en vacio: La turbina de vapor tranforman la energía potencial del vapor de tipo térmico, en energía mecánica de movimiento. La energía potencial térmica diponible e la diferencia de entalpía entre el etado inicial del vapor, a la entrada de la turbina, y u etado final, a la alida de la mima; eta diferencia de entalpía e conoce como alto entálpico o alto térmico. La tranformación de energía cinética en energía mecánica e produce aciendo eguir al fluido una determinada trayectoria (entre álabe), de forma que u velocidad aboluta diminuya; cualquier cambio de magnitud o de dirección en dica velocidad, tiene que er debido al efecto de una fuerza, que e la acción de lo álabe de la corona obre el fluido. A u vez, todo cambio en la dirección o en la magnitud de la velocidad del fluido, originará un empuje obre lo álabe, de tal forma que, para cuando éto vayan montado obre una corona móvil, la potencia producida erá igual al producto de la velocidad tangencial de lo álabe por la componente periférica de la fuerza. La acción y el movimiento de lo alabe de la turbina al cambiar la velocidad de flujo alteran la velocidad y energía molecular del vapor aí como u preión y temperatura. Regulador automático centrifugo: Conta de un elemento enible a la variacione de velocidad o obre velocidad, actúa por medio de válvula de cierre rápido cortando el uminitro de vapor a la turbina. Sitema de Condenado: Su función e traformar el vapor agotado que ale de la turbina para convertirla en agua condenada de recuperación para la caldera.

7 Condenador: E un intercambiador de calor, que utiliza agua fría (de una corriente natural o enfriada por una torre de enfriamiento) para enfriar y condenar el vapor de ecape de la turbina. Torre de Enfriamiento: Tiene como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de eta con el iguiente intercambio de calor enible y latente de una corriente de aire eco y frió que circula por el mimo aparato. Objetivo General: Determinar el rendimiento térmico de la planta de generación de potencia a vapor de la UNEFM baado en el funcionamiento del ciclo de Rankine. Procedimiento: 1. Se colocará en ervicio la planta térmica de vapor. 2. Se debe medir la temperatura del agua que va a entrar a la caldera. 3. Con la ayuda del auxiliar, e deberá uminitrar agua a la caldera, al abrir la llave a la alida del tanque de agua de alimentación. 4. Encender la bomba de alimentación acia la caldera. 5. Luego e procederá a encender el quemador. 6. Luego e ailará el tanque de combutible y el tanque de agua de alimentación (e cierran la entrada de alimentación de ambo tanque). 7. Una vez alcanzada la temperatura de etabilización en la caldera e toma nota de la preión, la cual e aume como la preión de entrada a la caldera. (Tabla 1) 8. Al llenar el depóito de vapor e mide la preión de alida del mimo. (Tabla 1 9. Se abre la válvula del depóito de vapor que va acia la turbina, momento en el cual e leerá la temperatura y preión de entrada y temperatura y preión de alida en la turbina. (Tabla 1) 10. Luego e medirá preión en el condenador. (Tabla 1) Figura 3. Equema de la Planta de Vapor de la Unefm.

8 FORMATO DE TOMA DE DATOS TABLA 1 EQUIPO PRESION TEMPERATURA ENTRADA SALIDA ENTRADA SALIDA CALDERA TURBINA CONDENSADOR BOMBA DATOS DE LA PLANTA: Eficiencia Ioentrópica de la turbina: 86 % Preión de entrada y alida de cada uno de lo elemento de la PLANTA DE VAPOR UNEFM FÓRMULAS A EMPLEAR: Q caldera = al ent Q condenador = ent - al W turb = ent - al W bomba = al ent RENDIMIENTO TÉRMICO DE LA PLANTA DE VAPOR UNEFM:

9 NOTAS: 1. Recuerden que deben encontrar Rendimiento Térmico de la planta de vapor UNEFM para ciclo ideal y real. 2. Puede apoyarte en el Diagrama de Mollier del agua, para ubicar la Entalpía que conidere i fuee el cao. 3. Realizar cálculo experimentale y reale, en unidade del itema internacional TRABAJO A REALIZAR: El grupo de etudiante realizará un informe técnico contentivo de lo iguiente: Rendimiento Térmico de la planta de vapor UNEFM para ciclo ideale y reale. Repreentar el proceo en un diagrama de la temperatura en función de la entropía (T-S) NOTA: El informe técnico (reporte) de acuerdo al formato Paper* (doble columna) uminitrado por el Profeor (ubícalo en el blog), y deberá er de la iguiente parte: Título de la Práctica, Reumen, Introducción, Dato Experimentale, Reultado (en tabla, gráfico y/o ecuacione de ajute), Análii de Reultado, Concluione y Recomendacione, Referencia Bibliográfica, Nomenclatura y Apéndice. FORMATO DE RESULTADOS: VARIABLES Q um Q ced W real Turbina W real bomba η termico Planta real W ideal Turbina W ideal bomba η termico Planta ideal UNIDADES RESULTADO EVALUACIÓN: Evaluación Pre laboratorio 20% Informe 50% Evaluación Pot-laboratorio 30% BIBLIOGRAFÍA: Frederick More. Centrale Eléctrica. Editorial Continental. Irving Granet. Termodinámica. PHH. Prentice May. Tercera Edición. Avellone. Manual del Ingeniero Mecánico. Mc Graw-Hill.

10 Figura 4. Diagrama de Mollier del Agua.